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JP2009535628A - Piezoelectric measuring element with lateral effect and sensor including said measuring element - Google Patents

Piezoelectric measuring element with lateral effect and sensor including said measuring element Download PDF

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JP2009535628A
JP2009535628A JP2009508078A JP2009508078A JP2009535628A JP 2009535628 A JP2009535628 A JP 2009535628A JP 2009508078 A JP2009508078 A JP 2009508078A JP 2009508078 A JP2009508078 A JP 2009508078A JP 2009535628 A JP2009535628 A JP 2009535628A
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sensor
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キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト
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Abstract

本発明は、二導体技術を使用可能な横効果の少なくとも1本の棒(2)を含む、圧電測定素子(1)に関係する。本発明は、測定素子(1)の金属化面(5)、電極(6)及び線路(15)が、ハウジング(13)に対するその電気容量が同一であるように、横効果の1本以上の圧電棒(2)により実施される考えを基にしている。上記は、例えば、極(22)の完全に対称的な設計により、または環境に対する両極(22)の容量差に対応するコンデンサを一方の極(22)からハウジング(13)へ設けることにより、達成される。  The invention relates to a piezoelectric measuring element (1) comprising at least one bar (2) with a lateral effect that can use two-conductor technology. The present invention provides one or more lateral effects such that the metallized surface (5), electrode (6) and line (15) of the measuring element (1) have the same capacitance with respect to the housing (13). Based on the idea implemented by the piezoelectric rod (2). This is achieved, for example, by a completely symmetrical design of the pole (22) or by providing a capacitor from one pole (22) to the housing (13) corresponding to the capacitance difference of the poles (22) with respect to the environment. Is done.

Description

本発明は請求項1の特徴部分による圧電測定素子と共に、前記測定素子を含むセンサとに関係する。 The invention relates to a piezoelectric measuring element according to the features of claim 1 and to a sensor comprising said measuring element.

圧電測定素子は、複数の応用例、例えば圧力、力、伸びまたは加速度センサで使用されている。測定中、圧電材料から構成された本体が機械的歪を受けて、電荷が本体の特定の表面に発生される。この電荷は収集されて電極によりケーブル接続に導かれる。最終的にはケーブルが電荷を前置増幅器であるかもしれない増幅器に伝送する。   Piezoelectric measurement elements are used in several applications, such as pressure, force, elongation or acceleration sensors. During the measurement, the body made of piezoelectric material is subjected to mechanical strain, and charges are generated on specific surfaces of the body. This charge is collected and guided to the cable connection by the electrode. Eventually, the cable transfers the charge to an amplifier that may be a preamplifier.

基本的に、電荷の増幅器への伝送には2つの異なる可能性、すなわち、同軸ケーブルの使用または2本の導体ケーブルの使用がある。同軸ケーブルを使用した場合、測定データは第1電極から内部導体に伝送され、一方別の電極は主要電位上にあって、外部干渉電場から測定線路を保護するシールドに接続可能である。さらに、3軸ケーブルにより第2シールドを設けることも可能である。対照的に、2本の導体ケーブルを使用した場合、2個の電極が、全体を単一でまたは2重にそれ自体をシールド可能なケーブルの2本の導線により接続される。増幅器では2本のリード線間の電荷差が評価される。リード線は同一の干渉電場に露出されるため、電荷差の変更は干渉電場からは発生しない。   Basically, there are two different possibilities for the transfer of charge to the amplifier: the use of coaxial cables or the use of two conductor cables. When a coaxial cable is used, measurement data is transmitted from the first electrode to the inner conductor, while the other electrode is on the main potential and can be connected to a shield that protects the measurement line from external interference fields. Further, it is possible to provide the second shield with a triaxial cable. In contrast, when two conductor cables are used, the two electrodes are connected by two conductors of the cable that can shield themselves in whole or double. In the amplifier, the charge difference between the two leads is evaluated. Since the lead wires are exposed to the same interference electric field, the change in charge difference does not occur from the interference electric field.

二導体技術を使用した応用例は、例えば縦効果の1つ以上の圧電板を有する測定素子である。縦効果とは、力が加わる表面で電荷が発生することを意味する。これらの表面が最もひんぱんに金属化されて電荷を収集する。同じ極性の金属化面が各々1つの電極に接続され、この電極が2本の導体の内の一方に与えられる。金属化面は負荷が与えられるため、隣接表面の良好な接触が常に保証される。   An example application using two-conductor technology is a measuring element having one or more piezoelectric plates with a longitudinal effect, for example. The longitudinal effect means that electric charges are generated on the surface to which force is applied. These surfaces are most often metallized to collect charge. Each metallized surface of the same polarity is connected to one electrode, which is applied to one of the two conductors. Since the metallized surface is loaded, good contact between adjacent surfaces is always guaranteed.

同軸技術を使用する応用例もまた、縦効果の1つ以上の圧電板を有する測定素子を含み、その電極は各々内部導体とシールドに接続される。反対に、同軸技術により圧電材料から構成された横効果の棒の使用もまた既知である。横効果とは、負荷の下で電荷が発生する表面が負荷が加えられる表面とは直角に位置していることを意味する。EP1283552号は1個を含むこの型式の応用例を記載し、WO2005/026678号は横効果のいくつかの棒結晶を含む応用例を記載している。これらの場合では、電荷を収集する電極は、力印加面上の金属化面に電気的に接続されて電荷を収集する良好な接点を保証する。   Applications using coaxial technology also include a measuring element having one or more piezoelectric plates with longitudinal effects, each electrode connected to an inner conductor and a shield. On the contrary, the use of side effect bars constructed from piezoelectric material by coaxial technology is also known. The lateral effect means that the surface on which charge is generated under load is located perpendicular to the surface to which load is applied. EP1283552 describes an application of this type including one, and WO2005 / 026678 describes an application including several bar crystals of lateral effects. In these cases, the charge collecting electrode is electrically connected to the metallized surface on the force application surface to ensure a good contact to collect the charge.

縦効果の板に対する横効果の圧電棒の利点は、その感度とコスト性能比にある。板による薄い棒で達成可能な同一の感度を得るためには、多数の板による積層板を使用しなければならず、これは棒より非常に高価であり、さらに相当に高い。棒を含む測定素子の安定度と感度をさらに増加するため、またWO2005/026678号で記述するように、いくつかのまたは薄い棒を使用可能である。この応用例では、電極は圧電棒の2つの力印加面上の金属化面に電気的に接続され、これにより良好な接点が得られる。   The advantage of the lateral effect piezoelectric rod over the longitudinal effect plate lies in its sensitivity and cost performance ratio. In order to obtain the same sensitivity achievable with thin rods of plates, a laminate of multiple plates must be used, which is much more expensive and much higher than the rods. Several or thin bars can be used to further increase the stability and sensitivity of the measuring element including the bars and as described in WO 2005/026678. In this application, the electrodes are electrically connected to the metallized surfaces on the two force-applying surfaces of the piezoelectric rod, which gives a good contact.

いくつかの棒を使用するその他の応用例はまたEP1283552号の図2から既知である。ここでは、3本の棒が3角形に配置され、3角形の内部ではスプリングが第1電極として電荷を受け取り、一方スプリングは同時に結晶の外壁を第2電極である金属壁へ押し付ける。   Another application using several rods is also known from FIG. 2 of EP1283552. Here, three rods are arranged in a triangle, and inside the triangle, the spring receives charge as the first electrode, while the spring simultaneously presses the outer wall of the crystal against the metal wall, which is the second electrode.

同軸技術と比較した二導体技術の利点は接地絶縁である。二導体技術の各測定素子は必然的に接地絶縁され、一方同軸技術を使用した測定素子は、主要電位にある電極をしばしば有する。測定素子の絶縁リングとシールドを使用した精妙な組立によってのみ接地絶縁が得られる。これは、例えば、接地接続での電圧の補償、いわゆる接地ループによる干渉を防止するために長い信号リード線がある内燃機関の場合には必須である。内燃機関でのセンサの使用は少なくとも300℃での温度安定性を必要とすることに注意されたい。このことは、これらの温度に耐えうる特定の素子を必要とする。   The advantage of two-conductor technology compared to coaxial technology is ground insulation. Each measuring element in two conductor technology is necessarily grounded, while measuring elements using coaxial technology often have electrodes at the main potential. Grounding insulation can only be obtained by delicate assembly using the measuring element's insulating ring and shield. This is essential, for example, in the case of internal combustion engines with long signal leads in order to compensate for the voltage at the ground connection, so as to prevent interference by so-called ground loops. Note that the use of sensors in internal combustion engines requires temperature stability at least at 300 ° C. This requires specific elements that can withstand these temperatures.

その構造により個々の電極が異なる干渉電場を受け、従って測定信号にバイアスがかかるため、既知の横効果の棒で二導体技術を使用することは不可能である。   It is not possible to use the two conductor technique with known lateral effect bars, because the structure causes the individual electrodes to be subject to different interfering electric fields and thus bias the measurement signal.

本発明の目的は、二導体技術で使用可能な、横効果の少なくとも1つの棒を含む圧電測定素子を示唆することである。   The object of the present invention is to suggest a piezoelectric measuring element comprising at least one bar of lateral effect that can be used in two-conductor technology.

この目的は独立請求項の特徴により達成される。   This object is achieved by the features of the independent claims.

本発明の下に横たわる考えは、測定素子の金属化面、電極及び線路から構成される極が、ハウジングに対するその電気容量が同一であるように、横効果による1つ以上の圧電棒で実現されるということである。これは、例えば、極の完全に対称的な設計により達成されるか、または環境に対する両極の容量差に対応するコンデンサを一方の極からハウジングに設けることにより達成される。   The idea lying under the present invention is realized with one or more piezoelectric rods due to the lateral effect, so that the pole composed of the metallized surface of the measuring element, the electrodes and the line has the same electric capacity with respect to the housing. That is. This can be achieved, for example, by a completely symmetrical design of the poles or by providing a capacitor in the housing from one pole that corresponds to the capacitance difference between the poles relative to the environment.

図1は従来技術による内燃機関の接地絶縁された測定素子を断面で示す。これは横効果の圧電材料から構成された棒2を含む。棒2は、測定すべき力を加える表面である2つの対向面3a、3bと、表面電荷を収集する金属化面5a、5bを設けた対向面4a、4bとを含む。金属化面5a、5bの各々は前面3a、3bの各々上の電極6a、6bまで延びる。棒2は、棒2にプレテンションを与えるテンションスリーブでもあるハウジング7の内部空間に位置している。カバー9が棒2を収容するハウジング7を封入する。棒2は任意の適切な領域、特に矩形、楕円、凹面、または凸面区域またはその組合せを有することが可能である。   FIG. 1 shows in cross-section a ground-insulated measuring element of an internal combustion engine according to the prior art. This includes a bar 2 constructed from a lateral effect piezoelectric material. The bar 2 includes two opposing surfaces 3a and 3b which are surfaces to which a force to be measured is applied, and opposing surfaces 4a and 4b provided with metallized surfaces 5a and 5b for collecting surface charges. Each of the metallized surfaces 5a, 5b extends to the electrodes 6a, 6b on each of the front surfaces 3a, 3b. The rod 2 is located in the internal space of the housing 7 which is also a tension sleeve that applies pretension to the rod 2. A cover 9 encloses a housing 7 that houses the rod 2. The bar 2 can have any suitable area, in particular a rectangle, ellipse, concave or convex area or a combination thereof.

横効果の四角い棒の感度は、負荷受容面3a、3b間の距離により定義される棒の長さと、電荷収集面4a、4b間の距離により定義されるその厚さとの比に比例する。従って、感度は板が薄くなればなるほど比例して増大する。測定素子の安定度を増加するため、かつ感度をさらに増加するために何枚かの板を使用してもよい。円盤形状の板を使用して同じ値を達成するためには、非常に多数のディスクを使用することが必要であり、これは非常に高価である。さらに、測定素子の長さは相当大きく、これはさらなる欠点を表す。   The sensitivity of the side effect square bar is proportional to the ratio of the length of the bar defined by the distance between the load receiving surfaces 3a, 3b and its thickness defined by the distance between the charge collection surfaces 4a, 4b. Therefore, the sensitivity increases proportionally as the plate becomes thinner. Several plates may be used to increase the stability of the measuring element and to further increase the sensitivity. In order to achieve the same value using a disk shaped plate, it is necessary to use a very large number of discs, which is very expensive. Furthermore, the length of the measuring element is quite large, which represents a further drawback.

この配置では、ハウジング7は第1電極6aの電位上にある、何故ならこの電極は一つの接触面によりハウジング7と直接接触しているからである。カバー9は金属外部リング9aを含み、これはハウジング7との直接接触によりまた前記電極6aの電位上にある。中央では、カバーは、外部リング9aから絶縁された接点サイト10を含み、第2電極6bと電気的接触している。この接触はまた電極6bとカバー9の接点サイト10との間の共有接触面によっても得られる。短絡を防止するため、カバーには外部リング9aと中央接点サイト10との間に絶縁部9bが設けられる。外部リング9aは溶接サイト19でのプレテンション下でハウジング7に溶接される。   In this arrangement, the housing 7 is on the potential of the first electrode 6a, since this electrode is in direct contact with the housing 7 by one contact surface. The cover 9 includes a metal outer ring 9a which is in direct contact with the housing 7 and also on the potential of the electrode 6a. In the middle, the cover includes a contact site 10 that is insulated from the outer ring 9a and is in electrical contact with the second electrode 6b. This contact is also obtained by a shared contact surface between the electrode 6b and the contact site 10 of the cover 9. In order to prevent a short circuit, the cover is provided with an insulating portion 9b between the outer ring 9a and the central contact site 10. The outer ring 9 a is welded to the housing 7 under pre-tension at the welding site 19.

測定素子をここでセンサ・ハウジング13の内部空間14内に組み込む場合、テンションスリーブが第1電極6aと同じ電位であるため、センサ・ハウジングを絶縁しなければならない。それ故、絶縁リング20がセンサ・ハウジング13に対して測定素子の両面上に配置される。同軸ケーブル15が絶縁リング20の一方を通してカバー9へ伸び、ここで2つの電極6a、6bと電気的接触を行う。このように組み込まれた測定素子では、前置増幅器または増幅器への線路15は、測定信号への干渉から絶縁するため、同軸ケーブル、望ましくは追加のシールド(図示せず)から構成されなければならない。   If the measuring element is now incorporated in the internal space 14 of the sensor housing 13, the sensor housing must be insulated because the tension sleeve is at the same potential as the first electrode 6a. Therefore, the insulating ring 20 is arranged on both sides of the measuring element with respect to the sensor housing 13. A coaxial cable 15 extends through one of the insulating rings 20 to the cover 9 where it makes electrical contact with the two electrodes 6a, 6b. In such a measurement element, the preamplifier or the line 15 to the amplifier must be composed of a coaxial cable, preferably an additional shield (not shown), in order to isolate it from interference with the measurement signal. .

図2aは本発明による接地絶縁の測定素子の概略図を断面で示す。図1との類似で、同じ参照番号が使用され、横効果による圧電材料から構成される棒2は、測定すべき力を導入する表面としての役割を果たす2つの対向面3a、3bを有する。この棒2はさらに、表面電荷の収集用の金属化面5a、5bを設けた2つの他の対向面4a、4bを含む。またこの実施例では、両金属化面5a、5bは各々前面に配置された電極6a、6bまで延びる。しかしながら、本実施例の発明によると、両電極6a、6bは同じ前面3b上に位置している。他方の前面3aは両電極6a、6bから電気的に絶縁されている。これは例えば、図2aの右側に表示するように金属化面5a、5bを前面3aまで完全に伸ばさないことにより達成される。または、図2aの左側に示すように金属化後に配置した前面3aの縁の面21により達成してもよい。前面3bは今や2つの電極6aと6bを支持する。2つを互いに電気的に絶縁するため、この前面3b上の金属化面は分離面21により分離される。   FIG. 2a shows in cross section a schematic view of a measuring element with ground insulation according to the invention. Similar to FIG. 1, the same reference numeral is used, and a rod 2 made of a piezoelectric material due to the lateral effect has two opposing faces 3 a, 3 b that serve as surfaces for introducing the force to be measured. The bar 2 further includes two other facing surfaces 4a, 4b provided with metallized surfaces 5a, 5b for collecting surface charges. In this embodiment, both metallized surfaces 5a and 5b extend to electrodes 6a and 6b arranged on the front surface. However, according to the invention of this embodiment, both electrodes 6a and 6b are located on the same front surface 3b. The other front surface 3a is electrically insulated from both electrodes 6a and 6b. This is accomplished, for example, by not extending the metallized surfaces 5a, 5b completely to the front surface 3a as shown on the right side of FIG. 2a. Alternatively, it may be achieved by an edge surface 21 of the front surface 3a arranged after metallization as shown on the left side of FIG. 2a. The front surface 3b now supports two electrodes 6a and 6b. In order to electrically insulate the two from each other, the metallized surface on the front surface 3 b is separated by a separating surface 21.

または、電極6a、6bはまた表面電荷の収集用に表面4a、4bで直接に電荷を収集可能であり、この場合どの前面も金属化面を設ける必要はない。これは例えば従来技術で記載したようなスプリングにより得ることが可能である。   Alternatively, the electrodes 6a, 6b can also collect charge directly at the surfaces 4a, 4b for surface charge collection, in which case no front surface needs to be provided with a metallized surface. This can be obtained, for example, by a spring as described in the prior art.

内部空間8を有するハウジング7は本実施例で棒2を取り囲む。カバー9はハウジング7を封入する。棒2はハウジング7とカバー9との間にプレテンション状態で配置される。これはハウジング7とカバー9との間の溶接サイト19により達成されることが望ましい。   A housing 7 having an internal space 8 surrounds the rod 2 in this embodiment. The cover 9 encloses the housing 7. The rod 2 is arranged in a pretensioned state between the housing 7 and the cover 9. This is preferably achieved by a welding site 19 between the housing 7 and the cover 9.

カバー9は、互いに絶縁され2つの電極6a、6bと電気的に接触する2本の同一な貫通給電用ピン形状の接点サイト10a、10bを有する。   The cover 9 has two identical feed-through pin-shaped contact sites 10a and 10b that are insulated from each other and in electrical contact with the two electrodes 6a and 6b.

接地絶縁を達成するため、ハウジング7は両電極6a、6bから電気的に絶縁されなければならない。これは例えば、カバー9が、接点サイト10aと10b用の2つの導体の給電貫通を設けた、例えばセラミックス製の内部絶縁9bを有する外部金属リング9aを有していることから得られる。セラミックスの代わりに、ガラスまたは絶縁体として適切なその他の材料を選択してもよい。   In order to achieve ground insulation, the housing 7 must be electrically isolated from both electrodes 6a, 6b. This is obtained, for example, from the fact that the cover 9 has an external metal ring 9a with an internal insulation 9b, for example made of ceramics, provided with a feed through of two conductors for the contact sites 10a and 10b. Instead of ceramics, other materials suitable for glass or insulators may be selected.

棒2はハウジング7の中央にあるべきである。これは、棒2を挿入する案内溝(図示せず)を有する床プレート7aをハウジング7に設けることにより達成可能である。反対に、ハウジング7が内部空間8に向けた1つ以上の開口部11を有し、プレテンションの印加の前に実行されなければならない中央位置決め用に棒2へのアクセスを与えてもよい。これらの開口部11はハウジング7の床プレート7aに設けられるか、及び/または1つ以上の横面の1つ以上の区域に延びることも可能である。中央位置決めの完了後、これらの開口部はまた気密的に再封入可能である。   The bar 2 should be in the center of the housing 7. This can be achieved by providing the housing 7 with a floor plate 7a having a guide groove (not shown) into which the bar 2 is inserted. Conversely, the housing 7 may have one or more openings 11 towards the interior space 8 to provide access to the bar 2 for central positioning that must be performed prior to the application of pretension. These openings 11 can be provided in the floor plate 7a of the housing 7 and / or extend to one or more areas of one or more lateral surfaces. After completion of central positioning, these openings can also be hermetically re-encapsulated.

中央位置決めを簡略化するため、EP1283552A2号に記載のようにソケット形状のベースを有する結晶素子も棒として使用可能である。電極の分離用の面部もこれに従って配置されなければならない。   In order to simplify the central positioning, a crystal element having a socket-shaped base as described in EP1283552A2 can also be used as a bar. The electrode separation surface must also be arranged accordingly.

ハウジング7の封入は気密式である。従って、テンションスリーブが開口部を有さない場合、本明細書で記載した測定素子1は既に完成されたセンサであり、その膜はハウジング7の床プレート7aにより実現される。カバー9上の2つの接点サイト10aと10bは増幅器または前置増幅器への2本の導体ケーブルにより導かれる。   The housing 7 is hermetically sealed. Therefore, if the tension sleeve does not have an opening, the measuring element 1 described here is an already completed sensor, the membrane of which is realized by the floor plate 7a of the housing 7. The two contact sites 10a and 10b on the cover 9 are guided by two conductor cables to the amplifier or preamplifier.

この配置は、金属化面5a、b、2つの電極6a、bへのガイドと共に線路への接点サイト10a、bを含む2つの極22a、bに関してその完全な対称配置により発明性がある。上述した従来技術による配置と対比して、2本の線路の電位差が本配置で評価される。それ故、環境からの電気的干渉は常に測定線路の両極に対して同一の影響を有さねばならず、差には影響しない。また、この理由から、前置増幅器または増幅器への測定信号の伝送には同軸ケーブルは使用不能である。何故なら外部干渉信号が両方の線路に同じ影響を与えないからである。それ故、接点サイト10aと10bも同じでなければならない。これらは同一のピンとして実現され、従来技術のようなピンとリングとしては実現されない。   This arrangement is inventive due to its perfectly symmetrical arrangement with respect to the two poles 22a, b including the contact sites 10a, b to the line with a guide to the metallized surfaces 5a, b, two electrodes 6a, b. In contrast to the arrangement according to the prior art described above, the potential difference between the two lines is evaluated in this arrangement. Therefore, electrical interference from the environment must always have the same effect on both poles of the measurement line, not the difference. For this reason, a coaxial cable cannot be used for transmitting the measurement signal to the preamplifier or the amplifier. This is because external interference signals do not have the same effect on both lines. Therefore, the contact sites 10a and 10b must be the same. These are realized as the same pins, and not as pins and rings as in the prior art.

容量の可能な非対称性を補償するため、追加のコンデンサCを一方の極と環境、例えばハウジング7との間に配置してもよく、このコンデンサCは所用の対称性を与える適切な値を有する。   In order to compensate for the possible asymmetry of the capacitance, an additional capacitor C may be placed between one pole and the environment, for example the housing 7, which has an appropriate value giving the desired symmetry. .

図2aによる測定素子は、センサの簡単な形態として、例えば工事用具としても既に使用可能である。   The measuring element according to FIG. 2a can already be used as a simple form of sensor, for example as a construction tool.

電極を導くためのいくつかの可能性が存在する。図2bと図2cは2つの異なる実施例の上面図を示す。図2bの実施例は、図2aの表示に対応しており、前面3b上の面21またはその他の分離が電極6a、bを分離し、前面3bまで横の金属化面5a、bが伸びている。表面3b間の縁上の金属化面の隣接する表面4a、bへの良好な接触を保証するため、これらの縁には丸め23を設けることが望ましい。これは図2aには図示されていない。図2b、棒2の上面図では、これらの丸め23の位置が表現されている。この型式の金属化面は主に厚い棒2に適している。   There are several possibilities for guiding the electrodes. Figures 2b and 2c show top views of two different embodiments. The embodiment of FIG. 2b corresponds to the display of FIG. 2a, with the surface 21 or other separation on the front surface 3b separating the electrodes 6a, b and the lateral metallized surfaces 5a, b extending to the front surface 3b. Yes. In order to ensure good contact of the metallized surface on the edge between the surfaces 3b to the adjacent surfaces 4a, b, it is desirable to provide rounding 23 on these edges. This is not shown in FIG. 2a. In FIG. 2b, the top view of the bar 2, the positions of these roundings 23 are represented. This type of metallized surface is mainly suitable for thick bars 2.

より薄い棒2では、電極は横方向に非常に小さくなる。この場合、図2cと図2dに示す別の実施例が望ましい。棒2には、電荷を収集する表面4a、bの一方の長手方向縁の各々の丸め23aと、電荷の収集用の表面4に隣接しない前面3bの2つの縁の丸め23bとが設けられる。その後、前面3aを除いた全ての表面に金属化面が設けられる。最終的には、面21a、b、及びcが設けられ、金属化面を2つの電気的に分離された電極6a、bに分離する。すなわち丸め23b間の中央の前面3b上の面21a、与えた全ての面のH形状が得られるような前面3b上横の面21b、丸めが設けられていない電荷を収集する表面4a、bの長手方向縁上の面21cの各々である。図2b及び図2cの各々に記載した金属化面は2つの電気的に分離された電極を生成し、その両方が同じ前面3b上で除去可能である。さらに、金属化面、従って極22は対称である。横効果の圧電棒のこの新規の機能は二導体技術での応用で使いることを可能とする。   In the thinner bar 2, the electrodes are very small in the lateral direction. In this case, another embodiment shown in FIGS. 2c and 2d is desirable. The bar 2 is provided with a rounding 23a at each of the longitudinal edges of one of the surfaces 4a, b for collecting charge and a rounding 23b at the two edges of the front surface 3b not adjacent to the surface 4 for collecting charge. Thereafter, metallized surfaces are provided on all surfaces except the front surface 3a. Finally, surfaces 21a, b and c are provided, separating the metallized surface into two electrically separated electrodes 6a, b. That is, the surface 21a on the front surface 3b in the center between the rounds 23b, the side surface 21b on the front surface 3b so as to obtain the H shape of all the given surfaces, and the surfaces 4a, b for collecting electric charges without rounding Each of the surfaces 21c on the longitudinal edges. The metallized surface described in each of FIGS. 2b and 2c produces two electrically separated electrodes, both of which can be removed on the same front surface 3b. Furthermore, the metallized surface and hence the pole 22 are symmetrical. This new function of lateral effect piezoelectric rods can be used in applications in two-conductor technology.

図3は、センサ12において、内部空間14を有するセンサ・ハウジング13と、カバー9の区域の内部空間14に取り付けた測定素子1と、測定素子1の2つの接点サイト10a、10bへの電気的接続用の2本の導体ケーブル15と共に、測定素子1に隣接する力伝達面17を有する膜16と、を含むセンサ12を記載する。何箇所かの溶接サイト19がセンサ12を互いに保持する。本発明によると、測定素子1は図2に記載した測定素子に対応する。   FIG. 3 shows in the sensor 12 the sensor housing 13 with an internal space 14, the measuring element 1 mounted in the internal space 14 in the area of the cover 9, and the electrical connection to the two contact sites 10 a, 10 b of the measuring element 1. A sensor 12 is described which includes a membrane 16 having a force transmission surface 17 adjacent to the measuring element 1 together with two conductor cables 15 for connection. Several welding sites 19 hold the sensors 12 together. According to the invention, the measuring element 1 corresponds to the measuring element described in FIG.

図1による測定素子と異なり測定素子1は既に接地絶縁されているため、センサ・ハウジング13と膜16に絶縁なしで直接取り付け可能である。例えば部品へのねじ込みにより発生するような、測定素子1へのセンサ・ハウジング13の歪の伝達を防止するため、いわゆる対歪スリーブ18が使用可能である。図3の左側の1実施例に図示するように、センサ・ハウジング13への直接接続によるカバー9の領域への測定素子1の取り付けの代わりに、図3の右側に示すように、この対歪スリーブ18がカバー9の領域の測定素子1を膜16の領域のセンサ・ハウジング13に接続する。このようにして、センサ・ハウジング13の変形は測定素子1や棒2には何の力も及ぼさない。   Unlike the measuring element according to FIG. 1, the measuring element 1 is already grounded and can be directly attached to the sensor housing 13 and the membrane 16 without insulation. A so-called anti-strain sleeve 18 can be used, for example, to prevent the transmission of the strain of the sensor housing 13 to the measuring element 1 as occurs by screwing into the part. Instead of attaching the measuring element 1 to the area of the cover 9 by direct connection to the sensor housing 13, as shown in one embodiment on the left side of FIG. A sleeve 18 connects the measuring element 1 in the region of the cover 9 to the sensor housing 13 in the region of the membrane 16. In this way, the deformation of the sensor housing 13 does not exert any force on the measuring element 1 or the bar 2.

カバー9は気密的にハウジング7に取り付けられているため、棒2の周辺の空間は溶接前に真空にできる。この空間はハウジング7の内部空間8のみを含むか、または開口部11がハウジング7に設けられている場合、センサ・ハウジング13と測定素子1との間の対歪スリーブ18、または等価な接続までのセンサ・ハウジング13の内部空間14の一部を含むことが可能である。   Since the cover 9 is hermetically attached to the housing 7, the space around the rod 2 can be evacuated before welding. This space includes only the internal space 8 of the housing 7 or, if an opening 11 is provided in the housing 7, an anti-strain sleeve 18 between the sensor housing 13 and the measuring element 1 or up to an equivalent connection It is possible to include a part of the inner space 14 of the sensor housing 13.

測定素子の安定度を増加し、同時に感度を増加するため、図4に図示するように1つのハウジング7にいくつかの棒2を配置することも可能である。この目的のため、2つの極22に対して配置が完全に対称であることを保証しなければならない。これは、棒2の同数の正負極面が外部に対向しなければならないことを意味する。一般的に言って、正極性の容量の和は、棒2の環境、この場合はハウジング7への負極性の容量の和と同一でなければならない。それ故、偶数の棒2を設けなければならない。次いで同一極性の電極が2本の導体ケーブルの接点サイト10へ互いに合わされ接続される。   In order to increase the stability of the measuring element and at the same time increase the sensitivity, it is also possible to arrange several bars 2 in one housing 7 as illustrated in FIG. For this purpose, it must be ensured that the arrangement is completely symmetrical with respect to the two poles 22. This means that the same number of positive and negative electrode surfaces of the rod 2 must face the outside. Generally speaking, the sum of the positive capacities must be the same as the environment of the rod 2, in this case the negative capacities to the housing 7. Therefore, an even number of bars 2 must be provided. The same polarity electrodes are then mated and connected to the contact site 10 of the two conductor cables.

プレテンションを可能とする中央に配置された装置24を有する、図4に図示するような配置が設けられた場合、異なる型式の中央位置決めとプレテンションが遂行可能である。この場合、中央ボルト24を選択してプレテンション・スリーブ7は省略される。またこの場合、対歪スリーブ18をこれに応じて使用することも可能である。   Different arrangements of central positioning and pretensioning can be performed if an arrangement such as that illustrated in FIG. 4 is provided having a centrally located device 24 that allows pretensioning. In this case, the central bolt 24 is selected and the pretension sleeve 7 is omitted. In this case, the anti-strain sleeve 18 can be used accordingly.

棒2は容量対称性を有する電気的に異なる電極による金属化面を含み、同じ前面上の両方の電極を含む。単一の棒2の代わりに、棒2のブロック25を使用することも可能である。   The bar 2 includes a metallized surface with electrically different electrodes having capacitive symmetry and includes both electrodes on the same front surface. Instead of a single bar 2, it is also possible to use a block 25 of bars 2.

以下は、いくつかの棒2を接合してブロック25を形成するオプションを記載する。この目的のため、奇数の棒2を使用することが、必須ではないが望ましい。図5に示すように、これらの棒2は各々反対の極性に配置され、各々同じ極性を有するその金属化面5a、bにより互いに結合される。電荷を収集する金属化面5a、bは、接触面のみならず対応する外部面にも取り付けられる。電荷を前面3bに渡すために、前面3bと電荷収集面4a、bに隣接する面も金属化される。図2cに記載したものに対応する丸め23は有効である。金属化面を2つの電気的に異なる電極に分離するために設けられた面21は図2cのものに対応する。このようにして、図5に示すように、ブロック25の半分を超えて各々が延びる、2つの極22a、bが生成可能である。   The following describes the option of joining several bars 2 to form a block 25. For this purpose, it is desirable, but not essential, to use an odd number of bars 2. As shown in FIG. 5, these rods 2 are each arranged in opposite polarities and are connected to each other by their metallized surfaces 5a, b each having the same polarity. The metallized surfaces 5a, b for collecting charges are attached not only to the contact surfaces but also to the corresponding external surfaces. In order to pass the charge to the front surface 3b, the surface adjacent to the front surface 3b and the charge collection surfaces 4a, b is also metallized. Rounding 23 corresponding to that described in FIG. 2c is valid. The surface 21 provided for separating the metallized surface into two electrically different electrodes corresponds to that of FIG. 2c. In this way, two poles 22a, b can be generated, each extending beyond half of the block 25, as shown in FIG.

このようなブロック25は単一の棒2より容易に中央位置決め可能である、何故なら金属化面で結合された棒2が大きなブロックに組み合わされるからである。さらに、このようなブロックの製造は、ウェファで製造可能であるため、コスト的に有利である。   Such a block 25 is more easily centered than a single rod 2 because the rods 2 joined at the metallized surface are combined into a larger block. Further, the manufacture of such a block is advantageous in terms of cost because it can be manufactured by a wafer.

奇数の棒2から構成されるブロック25は個別にまたはグループで使用可能である。全体としてその極に対して対称となるように、いくつかの前記ブロックを配置することにより、偶数の棒2のブロックも使用可能である。配置の例を図4に示す。これらのブロックの各々が2つの正または2つの負の外部面を含む。交番列で配置することで、所用の対称性が再び得られる。   Blocks 25 consisting of an odd number of bars 2 can be used individually or in groups. By arranging several such blocks so that they are generally symmetrical with respect to their poles, even blocks of bars 2 can be used. An example of the arrangement is shown in FIG. Each of these blocks includes two positive or two negative exterior surfaces. By arranging them in alternating rows, the required symmetry is again obtained.

本発明による前記測定素子またはセンサの各々の利点は、単純で、それ故コスト的に有利な組立体で接地絶縁が得られることである。さらに、感熱部品の使用による温度制限は必要ない。   An advantage of each of the measuring elements or sensors according to the invention is that grounding insulation is obtained in a simple and therefore cost-effective assembly. Furthermore, there is no need for temperature limitations due to the use of heat sensitive components.

(参照番号のリスト)
1 測定素子
2,2’ 棒
3,3a、3b 前面、力を導入する表面
4,4a、4b 表面電荷を収集する表面
5,5a、5b 金属化面
6,6a、6b 電極
7 テンションスリーブ、測定素子のハウジング
7a テンションスリーブ/ハウジングの床プレート
8 テンションスリーブ/ハウジングの内部空間
9 カバー
9a 外部リング
9b 絶縁体
10,10a、10b カバーの接点サイト
11 テンションスリーブの開口部
12 センサ
13 センサ・ハウジング
14 ハウジングの内部空間
15 ケーブル、線路、二導体または同軸
16 膜
17 力伝達面
18,18a、18b 2端を有する対歪スリーブ
19 溶接サイト、溶接
20,20a、20b 絶縁リング
21 面、分離面
22,22a、22b 極
23 丸め
24 プレテンション素子、中央ボルト
25 ブロック
C コンデンサ
(List of reference numbers)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measuring element 2,2 'Rod 3,3a, 3b Front surface, Surface which introduce | transduces force 4,4a, 4b Surface which collects surface charge 5,5a, 5b Metallized surface 6,6a, 6b Electrode 7 Tension sleeve, Measurement Element housing 7a Tension sleeve / housing floor plate 8 Tension sleeve / housing internal space 9 Cover 9a Outer ring 9b Insulator 10, 10a, 10b Cover contact site 11 Tension sleeve opening 12 Sensor 13 Sensor housing 14 Housing Internal space 15 Cable, line, two conductors or coaxial 16 Membrane 17 Force transmission surface 18, 18a, 18b Anti-strain sleeve having two ends 19 Welding site, Welding 20, 20a, 20b Insulating ring 21 surface, separation surface 22, 22a 22b Pole 23 Rounding 24 Pretensioning element Central bolt 25 block C condenser

以下に、本発明を図面と関連して詳細に説明する。
従来技術によるセンサの断面の概略表現図。 本発明による測定素子の概略表現の断面図。 図2aのような金属化面を有する圧電棒の上面図。 異なる金属化面の、図2aの圧電棒の上面図。 図2cのような金属化面を有する圧電棒の断面図。 本発明によるセンサの概略表現の断面図。 センサ内のいくつかの棒の対称配置を示す図。 対向する配置で互いの上面に配置したいくつかの棒を含む測定素子の上面図。
In the following, the invention will be described in detail in connection with the drawing.
The schematic representation of the cross section of the sensor by a prior art. 1 is a cross-sectional view of a schematic representation of a measuring element according to the present invention. FIG. 2b is a top view of a piezoelectric rod having a metallized surface as in FIG. 2a. 2b is a top view of the piezoelectric rod of FIG. 2a with different metallized surfaces. FIG. 2c is a cross-sectional view of a piezoelectric rod having a metallized surface as in FIG. 2c. 1 is a cross-sectional view of a schematic representation of a sensor according to the present invention. The figure which shows the symmetrical arrangement | positioning of several bar | burrs in a sensor. FIG. 3 is a top view of a measuring element including several bars arranged on top of each other in an opposing arrangement.

Claims (16)

測定素子(1)において、互いに絶縁された2つの極(22a、b)を含むハウジング(7)に、各々が力を加える2つの面(3a、b)と2つの電荷収集面(4a、b)とを有する横効果の1つ以上の圧電棒(2)を含み、ここで各極(22a、b)は互いに絶縁され、二導体測定信号線路(15)への接続用の接点サイト(10a、b)と共に、これに電気的に接続された電極(6a、b)と、棒(2)の電荷収集面(4a、b)上にあり、これに電気的に接続された1つ以上の金属化面(5a、b)とを含み、各極(22a、b)と、これから材料特性と幾何学的条件により電気的に絶縁されているハウジング(7)との間で定義される電気容量が同一であることを特徴とする、測定素子(1)。   In the measuring element (1), two surfaces (3a, b) and two charge collecting surfaces (4a, b) each applying a force to a housing (7) including two poles (22a, b) insulated from each other. ) One or more piezoelectric rods (2) with lateral effects, wherein each pole (22a, b) is insulated from each other and contact site (10a) for connection to a two-conductor measurement signal line (15) B) with one or more electrodes (6a, b) electrically connected thereto and on the charge collection surface (4a, b) of the rod (2) and electrically connected thereto Capacitance defined between each pole (22a, b) and a housing (7) which is electrically insulated according to material properties and geometrical conditions, including metallized surfaces (5a, b) Measuring elements (1), characterized in that they are identical. 請求項1記載の測定素子において、極(22a、b)が材料と幾何形状に関して完全に対称な設計を有している、測定素子。   2. The measuring element according to claim 1, wherein the poles (22a, b) have a completely symmetrical design with respect to material and geometry. 請求項1記載の測定素子において、極(22)の一方とハウジング(7)との間に、材料または幾何形状により決定される存在する容量の差を補償する別のコンデンサCを設けた、測定素子。   2. The measuring element according to claim 1, wherein a further capacitor C is provided between one of the poles (22) and the housing (7) to compensate for the difference in the existing capacitance determined by the material or geometry. element. 請求項1及至3いずれか記載の測定素子において、少なくとも1つの棒(2)が、互いに電気的に分離された、同一前面3b上に配置された両電極(6a、6b)を有する、測定素子。   4. The measuring element according to claim 1, wherein at least one bar (2) has both electrodes (6a, 6b) arranged on the same front face 3b, which are electrically separated from each other. . 請求項1及至4いずれか記載の測定素子において、1つ以上の棒2で前面(3a)の各々が両電極(6a、6b)から電気的に絶縁されている、測定素子。   5. The measuring element according to claim 1, wherein each of the front surfaces (3a) is electrically insulated from both electrodes (6a, 6b) by one or more rods (2). 請求項1及至5いずれか記載の測定素子において、ハウジング(7)は2本の導体給電貫通を有するカバー(9)を含む、測定素子。   6. The measuring element according to claim 1, wherein the housing (7) includes a cover (9) having two conductor feedthroughs. 請求項1及至6いずれか記載の測定素子において、ハウジング(7)は気密的に封入されている、測定素子。   7. The measuring element according to claim 1, wherein the housing (7) is hermetically sealed. 請求項1及至7いずれか記載の測定素子において、棒(2)の少なくとも1つはハウジング(7)内でプレテンションされている、測定素子。   8. The measuring element according to claim 1, wherein at least one of the bars (2) is pretensioned in the housing (7). 請求項8記載の測定素子において、プレテンションは、プレテンション・スリーブ(7)により、膜により、または中央プレテンション素子(24)により得られる、測定素子。   9. The measuring element according to claim 8, wherein the pretension is obtained by a pretensioning sleeve (7), by a membrane or by a central pretensioning element (24). 請求項1及至9いずれか記載の測定素子において、いくつかの棒(2、2’、2”)の1つ以上のグループが測定素子で対称に配置されている、測定素子。   10. Measuring element according to claim 1, wherein one or more groups of several bars (2, 2 ', 2 ") are arranged symmetrically on the measuring element. 請求項1及至9いずれか記載の測定素子において、2つ以上の棒(2、2’、2”)がブロック(25)中でその極性に対して反対方向に互いに隣接して配置され、その接触面上に金属化面を含む、測定素子。   Measuring element according to any of claims 1 to 9, wherein two or more bars (2, 2 ', 2 ") are arranged adjacent to each other in the block (25) in opposite directions with respect to their polarity, Measuring element comprising a metallized surface on the contact surface. 請求項11記載の測定素子において、いくつかのブロック(25)の1つ以上のグループが測定素子中で対称に配置されている、測定素子。   12. Measuring element according to claim 11, wherein one or more groups of several blocks (25) are arranged symmetrically in the measuring element. 請求項10または12いずれか記載の測定素子において、棒(2、2’、2”)のグループまたはブロック(25)のグループが1つ以上の行に配置されている、測定素子。   13. Measuring element according to claim 10 or 12, wherein a group of bars (2, 2 ', 2 ") or a group of blocks (25) is arranged in one or more rows. 請求項10または12いずれか記載の測定素子において、棒(2、2’、2”)のグループまたはブロック(25)のグループが円上に配置されている、測定素子。   13. The measuring element according to claim 10, wherein the group of bars (2, 2 ', 2 ") or the group of blocks (25) is arranged on a circle. センサ(12)において、内部空間(14)を有するセンサ・ハウジング(13)と、内部空間(14)に取り付けた先行する請求項のいずれかによる測定素子(1)と共に、測定素子(1)に隣接する力伝達面(17)を有する膜(16)と、を含むセンサ(12)。   In the sensor (12), together with a sensor housing (13) having an internal space (14) and a measuring element (1) according to any of the preceding claims attached to the internal space (14), the measuring element (1) A sensor (12) comprising a membrane (16) having an adjacent force transmission surface (17). 請求項15記載のセンサにおいて、測定素子(1)はカバー(9)の区域で対歪スリーブ(16)の一方の端部(18a)に取り付けられ、対歪スリーブ(18)の他方の端部(18b)は膜(16)の領域のセンサ・ハウジング(13)に固定されている、センサ。
Sensor according to claim 15, wherein the measuring element (1) is attached to one end (18a) of the anti-strain sleeve (16) in the area of the cover (9) and the other end of the anti-strain sleeve (18). (18b) is a sensor fixed to the sensor housing (13) in the region of the membrane (16).
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